葉小雯 劉 煒 劉瑞龍 董 靜 李鯤鵬

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，610031,成都;2.成都地鐵運(yùn)營有限公司，610051,成都;3.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，510010,廣州//第一作者，碩士研究生)

35 kV/400 V降壓變電所(以下簡為“降壓所”)為地鐵的照明及動力設(shè)備集中供電。降壓所都在其2段35 kV母線上各設(shè)1臺降壓變壓器，以各自承擔(dān)供電負(fù)荷。防災(zāi)報警、消防、電梯、環(huán)控及冷源等重要的一級負(fù)荷由降壓所采用放射式配電方式供電;其他二、三級負(fù)荷(如照明等)由降壓所采用樹干式配電方式供電[1]。降壓所供電網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 降壓所供電網(wǎng)絡(luò)示意圖

地鐵35 kV/400 V降壓所中有多種采用變頻裝置的非線性負(fù)荷。這些負(fù)荷在吸收基波功率的同時，會將其中一部分基波功率轉(zhuǎn)化為諧波功率注入系統(tǒng)，成為系統(tǒng)諧波源[2]。35 kV/400 V降壓所會產(chǎn)生大量的3次、5次、7次等高次諧波[3-4]。400 V系統(tǒng)是地鐵供電系統(tǒng)第二大諧波源。嚴(yán)重時諧波會導(dǎo)致設(shè)備損毀等一系列嚴(yán)重事故。有源濾波裝置(APF)是一種性能良好的諧波治理和無功補(bǔ)償裝置,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用,并引起了關(guān)注[5-6]。

本文以成都地鐵部分降壓所為例,對降壓所動力負(fù)荷的電壓及電流進(jìn)行實(shí)測，并評估降壓所內(nèi)的變壓器負(fù)載率,分析諧波電壓和諧波電流特性，為降壓所變壓器容量設(shè)計(jì)、負(fù)荷電能質(zhì)量評估和APF的設(shè)計(jì)等提供依據(jù)。

1 降壓所各類負(fù)荷比例

降壓所中主要負(fù)荷有商業(yè)用電,以及環(huán)控、冷源、電扶梯、電梯、直流電源、控制設(shè)備和照明設(shè)備等用電。各種負(fù)荷耗電量所占比例各不相同。成都地鐵孵化園站降壓所各類負(fù)荷某月用電量統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 成都地鐵孵化園站降壓所各類負(fù)荷某月耗電量統(tǒng)計(jì)表

2 變壓器負(fù)載率

成都地鐵部分35 kV/400 V降壓所變壓器某日高峰負(fù)載率情況如表2所示。根據(jù)GB 50059—2011《35～110 kV變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,裝有2臺及以上主變壓器的變電站，當(dāng)斷開1臺變壓器時，其余變壓器的容量(包括過負(fù)荷能力)應(yīng)能滿足全部一、二級負(fù)荷用電的要求[7],而且,變壓器的效率最佳負(fù)載率為45%～60%[9]。但降壓所變壓器容量設(shè)計(jì)時需考慮各類負(fù)荷的最大用電需求，并取負(fù)荷同時系數(shù)后累計(jì)，故設(shè)計(jì)富裕量一般偏大。

表2 成都地鐵部分降壓所變壓器實(shí)測負(fù)載率統(tǒng)計(jì)表

3 母線及各類負(fù)荷的諧波特性

3.1 400 V母線諧波電壓及電流分析

成都地鐵降壓所400 V母線的諧波電壓畸變率實(shí)測情況如表3所示。降壓所400 V母線奇次諧波電壓含有率均小于4%,偶次諧波電壓含有率均小于2%,電壓總諧波畸變率(THDU)的95%概率值均小于5%。

表3 降壓所400 V母線諧波電壓畸變率的95%概率值

根據(jù)GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》[10]，計(jì)算降壓所400 V母線諧波電流允許值為：

(1)

式中：

sk1——公共連接點(diǎn)最小短路容量；

sk2——基準(zhǔn)短路容量；

Ihp——國標(biāo)第h次諧波電流允許值；

Ih——短路容量,為sk1進(jìn)線第h次諧波電流允許值。

成都地鐵某降壓所的變壓器容量為1 600 kVA，400 V母線的最小短路容量為19 MVA，母線諧波電流允許值如表4所示。

表4 成都地鐵某降壓所400 V母線諧波電流允許值

統(tǒng)計(jì)成都地鐵降壓所400 V母線諧波電流情況如表5所示。諧波電流含量IH等于非正弦周期交流電流減去基波電流分量。經(jīng)實(shí)測,成都地鐵降壓所400 V母線諧波電流畸變率(THDI)的95%概率值為9.1%～35.9%，諧波電流含量多為19～95 A，個別降壓所的短時諧波電流含量接近100 A。

3.2 環(huán)控負(fù)荷諧波分析

降壓所約1/3的電能都供于環(huán)控負(fù)荷，其諧波情況不可小覷。圖2為某降壓所某個環(huán)控負(fù)荷的電流瞬時值波形圖。由圖2可見,電流伴有明顯諧波畸變。該環(huán)控負(fù)荷基波實(shí)測值見圖3,其3次、5次、7次諧波電流較嚴(yán)重，相應(yīng)電流有效值如圖4所示。

表5 降壓所400 V母線諧波電流含量及其畸變率

圖2 某環(huán)控負(fù)荷電流周期波形圖

圖3 某環(huán)控負(fù)荷基波電流實(shí)測值

由圖4可知，環(huán)控負(fù)荷在夜間非運(yùn)營時段各次諧波電流都非常小，可忽略不計(jì)。上述環(huán)控負(fù)荷在運(yùn)營時間內(nèi)的諧波電流有效值統(tǒng)計(jì)情況見表6。

表6 環(huán)控負(fù)荷諧波電流統(tǒng)計(jì)值

圖3中,環(huán)控負(fù)荷在運(yùn)營時段的基波電流實(shí)測值均值為48.9 A。經(jīng)分析,最大污染為5次諧波污染，其諧波電流95%概率值達(dá)24.6 A，5次諧波電流含有率達(dá)50%左右，情況較為嚴(yán)重。其次的較大污染是7次諧波電流，其95%概率值為15.7 A，諧波電流含有率為31%。

a)3次諧波電流

b)5次諧波電流

c)7次諧波電流

環(huán)控負(fù)荷的諧波電流允許值為:

(2)

式中：

Ihi——公共連接點(diǎn)處負(fù)荷i的第h次諧波電流允許值，A；

Bi——負(fù)荷i在公共連接點(diǎn)處所占的負(fù)荷比例；

α——相位疊加系數(shù)。

根據(jù)環(huán)控負(fù)荷耗電量所占比例,結(jié)合式(2),計(jì)算可得400 V母線環(huán)控類負(fù)荷諧波電流允許值見表7。

表7 400 V母線環(huán)控類負(fù)荷諧波電流允許值

由表7可見,環(huán)控負(fù)荷5次及7次諧波都較大,已達(dá)諧波限值的50%左右，但沒有超標(biāo)。在實(shí)際的降壓所內(nèi)每段母線帶有1～3個環(huán)控負(fù)荷。這就需按GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》[10]將2個諧波源(母線)的同次諧波電流進(jìn)行迭加，即：

(3)

式中：

Ihi1——一段母線負(fù)荷i的第h次諧波電流；

Ihi2——二段母線負(fù)荷i的第h次諧波電流；

kh——諧波迭加系數(shù)。

將多個環(huán)控負(fù)荷按式(3)進(jìn)行迭加,可得其迭加諧波電流(見表8)。

表8 多個環(huán)控負(fù)荷迭加諧波電流

由表8可見,當(dāng)一段400 V母線接入多個環(huán)控負(fù)荷時，環(huán)控負(fù)荷的5次及7次諧波電流均面臨超標(biāo)問題。

3.3 冷源負(fù)荷諧波分析

冷源負(fù)荷耗電量占降壓所總耗電量的24%。某冷源負(fù)荷的電流波形如圖5所示。

圖5 某冷源負(fù)荷電流波形圖

該冷源負(fù)荷基波實(shí)測值見圖6,冷源負(fù)荷是一種具有沖擊特性的負(fù)荷，其2次、3次、5次、7次諧波電流較為嚴(yán)重。相應(yīng)的諧波電流有效值如圖7所示。上述冷源負(fù)荷基波及諧波電流統(tǒng)計(jì)情況見表9。

圖6 某冷源負(fù)荷基波電流

表9 某冷源負(fù)荷諧波電流統(tǒng)計(jì)值

a) 2次諧波電流

b) 3次諧波電流

c) 5次諧波電流

d) 7次諧波電流

在運(yùn)營時段內(nèi)，冷源基波電流有效值幅值可達(dá)220 A，均值維持在104 A左右;在非運(yùn)營時間內(nèi)，基波電流均值降為46.23 A。其中,5次及7次諧波電流較大，5次諧波電流的95%概率值為2.53 A，7次諧波電流的95%概率值為2.00 A。

冷源負(fù)荷諧波電流允許值如表10所示。降壓所內(nèi)一段400 V母線通常帶有1～2個冷源負(fù)荷，其諧波電流都遠(yuǎn)小于基波電流幅值及表10的電流限值。

表10 400 V母線冷源類負(fù)荷諧波電流允許值

3.4 電扶梯負(fù)荷諧波分析

電扶梯負(fù)荷耗電量雖不多，但降壓所會有多個電扶梯負(fù)荷，故其諧波特性不容忽視。圖8為某電扶梯負(fù)荷電流波形圖。由圖8可見,其電流較小且畸變嚴(yán)重。

該電扶梯負(fù)荷基波電流如圖9所示。電扶梯負(fù)荷明顯為沖擊負(fù)荷，其基波電流均值穩(wěn)定于2.37 A左右，3次、5次、7次、9次諧波電流較為嚴(yán)重。相應(yīng)的諧波電流有效值如圖10所示。

圖8 某電扶梯負(fù)荷電流周期波形圖

圖9 某電扶梯負(fù)荷基波電流

a) 3次諧波電流

b) 5次諧波電流

c) 7次諧波電流

d) 9次諧波電流

圖10中,該電扶梯空載情況忽略不計(jì)，則上述電扶梯負(fù)荷諧波電流有效值情況統(tǒng)計(jì)如表11所示。

表11 某電扶梯負(fù)荷基波及諧波電流統(tǒng)計(jì)值

由表11可見,電扶梯的諧波電流都很小，僅5次及7次諧波電流相對較大。電扶梯負(fù)荷還需滿足GB/T 24807—2009《電磁兼容 電梯、自動扶梯和自動人行道的產(chǎn)品系列標(biāo)準(zhǔn)》[11]的要求,某電梯諧波電流與基波電流均值比值如表12所示。

表12 某電梯諧波電流與基波電流均值的比值

由表12可見,電扶梯負(fù)荷的5次、7次、11次及13次諧波電流都嚴(yán)重超標(biāo)。

降壓所中諧波源眾多，使得其電網(wǎng)及所內(nèi)電氣設(shè)備損耗嚴(yán)重，且容易因過熱、過電壓而損壞，從而造成經(jīng)濟(jì)損失和安全事故。

降壓所中APF的安裝可對幅值和頻率都變化的諧波進(jìn)行治理,并對無功進(jìn)行補(bǔ)償，但根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù),400 V側(cè)無功補(bǔ)償前的功率因數(shù)即可達(dá)標(biāo)，所以較大的APF安裝容量對現(xiàn)有的降壓所諧波問題顯得裕量偏大。

4 結(jié)論

(1) 現(xiàn)有許多35 kV/400 V降壓所內(nèi)的變壓器都處于輕載的狀態(tài)，其負(fù)載率在6%～22%之間。

(2) 35 kV/400 V降壓所的環(huán)控負(fù)荷和冷源負(fù)荷耗電量最大，分別占總耗電量的31%、24%，車站照明、商業(yè)等其它用電負(fù)荷略小。

(3) 降壓所400 V母線電壓總諧波畸變率的95%概率值均小于5%，諧波電流含量大多為19～95 A。

(4) 降壓所電扶梯負(fù)荷容易受到其它負(fù)荷的影響，存在著諧波電流超標(biāo)問題，其中,5次、7次、11次及13次諧波電流較大；降壓所環(huán)控負(fù)荷是5次、7次諧波電流的最大污染源。

(5) 地鐵降壓所中,APF容量設(shè)置大小應(yīng)綜合考慮地面站或地下站的變壓器負(fù)載率,以及各類負(fù)荷的諧波特性。